Алмазы удивительно эластичны, когда их уменьшают до крошечных размеров

Фото из открытых источников

Алмазы вечны, но если их уменьшить до сверхмалых размеров, они могут стать немного мягкими. Эксперимент с одними из самых маленьких алмазов, когда-либо изученных, теперь показал, почему они становятся удивительно эластичными, когда достигают сверхмалых размеров. Новое исследование было опубликовано в Physical Review X.

«Алмазы в больших размерах широко известны своей исключительной жесткостью и твердостью. На наномасштабе все может быть иначе», — говорит Чунсинь Шань из Чжэнчжоуского университета в Китае. Он и его коллеги изучали, как алмазы размером всего 4 нанометра — в сотни раз меньше некоторых вирусов — реагируют на давление.

Исследователи зажимали каждый крошечный алмаз между двумя цилиндрами с алмазными наконечниками, способными сжимать наноалмаз. Цилиндры были соединены с датчиком силы, который измерял сопротивление алмаза, и специальным микроскопом, который получал изображение сжатого алмаза.

Шан говорит, что проведение надежных измерений на наномасштабе представляет собой сложную задачу, поскольку все измеряемые эффекты очень малы, и любое крошечное возмущение из окружающей среды алмаза может добавить шум к данным. Чтобы избежать этой проблемы, исследователи повторили эксперимент примерно со 100 различными алмазами и приняли меры предосторожности, такие как проведение измерений в высоком вакууме, где никакие частицы воздуха не могли их нарушить. Они обнаружили, что по мере уменьшения диаметра алмазов с 12 до 4 нанометров их жесткость снижалась примерно на 30 процентов, то есть они становились более эластичными.

Затем исследователи использовали свои измерения и компьютерное моделирование алмазов, чтобы выяснить причину. Шан говорит, что из-за малого размера алмазов соотношение между количеством атомов на их поверхностном слое и количеством атомов, составляющих их ядро, было большим, но химические связи между этими двумя областями были слабыми. Это делало наноалмазы более эластичными, чем более крупные алмазы, где соотношение поверхности к ядру меньше, и более прочные связи внутри ядра определяют поведение алмаза, говорит он.

Ян Лу из Городского университета Гонконга говорит, что новый эксперимент выявил неожиданные изменения в свойствах алмазов даже по сравнению с предыдущими исследованиями крошечных алмазов. Его команда провела одни из первых исследований, показавших, что алмазы на наноразмерном уровне могут быть менее твердыми и хрупкими, но новая работа позволила снизить уровень их размера в десять раз. Это важно, потому что крошечные алмазы становятся все более популярным материалом для создания новой электроники, а также квантовых устройств, говорит Лу. «А искусственные алмазы сейчас становятся чрезвычайно дешевыми, поэтому сейчас самое время использовать алмазы во все большем количестве», — говорит он.